从DIS与传统实验的特点谈中学物理实验类型的选择

董光顺

(曲靖一中 云南 曲靖 655000)

随着新课程改革的推进，数字化物理实验得到了较好的推广和发展，在发达地区甚至已经普及.数字化实验的出现弥补了传统实验的技术空白，使得实验手段逐步趋于多元化，但与此同时，面对传统实验和数字化实验各自的优势和不足，越来越多的教师开始困惑，以DIS为代表的数字化实验和传统实验哪种更符合学生的发展需求，更有不少教师采取了抵触DIS或者彻底抛弃传统实验的极端做法.鉴于此，基于数字化实验与传统实验的各自特点，笔者就中学物理实验中，如何以实验教学目标为导向对实验类型的选择进行一些探讨，并结合部分案例扼要说明.

1 简述数字化实验的功能特点

目前，对数字化实验作出详细介绍的文章已经很多，此处便不再赘述，现笔者仅结合自身对数字化实验的理解，对其功能特点作扼要介绍.

(1)测量范围广，弥补了传统实验的局限性或空白.

数字化实验凭借对信息化技术的应用，利用磁敏元件、光敏元件、声敏元件、特种G-M计数管等器件开发了一系列类似于磁感应强度的测量，放射性物质辐射强度的测量，微小电流信号的测量等很多采用传统实验手段做不好或做不了的实验，弥补了传统实验的空白，有效地拓宽了基础性实验的教学范围.

(2)实时测量并记录数据，便于展示测量数据在过程中的变化，并增强了数据的对比性.

利用实验数据的连续测量和实时记录的特点，结合计算机软件，可将测量对象在整个过程中的变化情况更便捷、清晰地展现出来.另外，基于数字化实验的这一特点，在做牛顿第三定律等实验时,可将作用力与反作用力大小关系对比地展示出来.

(3)测量精度高、灵敏度好，节省数据处理时间，改变了实验课堂的时间分配和重心.

数字化实验的数据采集方式和记忆功能，为学生进行多组实验的采集和处理节约了很多时间.根据数字化实验研发中心对数字化实验课堂与传统实验课堂中，学生在各环节的活动时间进行调查,获得如图1所示的结果.该结果显示数字化实验成功地将课堂重心倾向于物理知识和规律的探索研究，当然，也弱化了学生在操作、计算、归纳等方面能力的培养.

图1 传统实验与数字化实验学生活动时间分配对比图

(4)实验系统原理复杂，增大了学生对仪器原理的认知难度，影响学生对知识的构建.

长期以来，在国内外都要求中学物理实验尤其是演示实验要简洁、直观并突出重点，例如，美国的《美国科学教育标准》就提倡不用昂贵的或精密的仪器，而鼓励教师直接从日常生活用品中取材，经过匠心独运的设计，引导学生观察、探究.

在学生对于传感器、数据采集器、计算机编程语言和图像模拟等方面涉及到的知识零储备的背景下，数字化实验中数据信息的获得和处理涉及到的信号发射、接受、输入、处理、显示等系列复杂的过程，超出了中学生的认知能力.加之多数教师对数字化实验软、硬件系统的了解程度不深，数字化实验相关资料匮乏等重要因素，对于学生而言，DIS实验虽然如此神奇，却难免变得神秘，对于不在少数的学生而言，数据的获得和处理过程犹如“暗箱操作”. 笔者认为，学生对一个陌生物理规律的习得，必须建立在其坚信这一系列过程具有科学性和严谨性的基础之上，否则，对于这一部分学生而言，数字化实验将无异于虚拟的课件，同时,他们对一个物理内容的理解程度，也必将受到对相关内容构建过程中，所涉及到的事件的理解程度的影响.DIS系统的“神秘性”，一定程度上影响了实验教学功能的实现.

(5)DIS系统的过度智能不利于部分重要基础能力的培养.

DIS进入中学课堂伊始，不少师生就将其定位为“傻瓜机”，当然，这是一种有失客观的评价.但毋容置疑，过多地依赖于DIS对于实验数据的智能采集、智能处理，必将弱化很多传统实验课堂所关注的类似于多用表、游标卡尺、螺旋测微器、打点计时器等大量经典仪器的操作能力，以及数据记录、运算和作图、归纳等基础能力的培养.

优秀的传统实验却恰恰具备了设计巧妙，过程明了，现象简洁、直观，能够有效培养学生基础能力等功能特点.

2 传统实验与数字化实验形式的选择

在物理实验教学中，实验形式和方案的选择不仅仅取决于实验目的，还应关注实验过程中的能力、方法等过程目标，而实验形式和方案是否得当又很大程度影响了这些目标的达成.那么，怎样科学、得当地选择实验形式和方案？笔者认为，实验方案的选择一定要以实验目标为导向，并基于两种实验形式各自的功能特点进行.在此，笔者按类别结合一些典型的例子给予说明.

类别1：基于DIS测量的广泛性和精确性，中学物理传统实验中类似于放射源、微电流测定等一类想做而做不了或者想做而做不好的实验，在数字化条件下可顺利完成，尤其是电磁学、热力学和原子物理的实验部分.

类别2：基于DIS数据的实时测量和图像的对比展示功能，动态地展示研究量在变化过程中的性质，增强现象的对比性.

实例1：在牛顿第三定律的验证实验中，传统的做法是，利用弹簧测力计对拉，用眼读数并比较不连续的状态下，两个作用力的大小关系.而我们寄希望测量数据更为精确，并且能够让学生观察到在施力变化的整个过程中，两个力的大小持续相等，从而突出牛顿第三定律的普适性.

数字化实验的使用，如图2所示，不仅很好地完成了实验的知识性目标，还有效避免了因测力计中弹簧的形变性能、读数误差、实验者在读数过程中施力的微变化等因素造成的误差.

图2 牛顿第三定律的演示

图3 用力传感器拉动木块

实例2：传统实验中，我们苦恼于摩擦力不可直接测量，希望能够通过实验探究静摩擦力的大小并展示最大静摩擦力.在这样的既定实验目的下，结合DIS的实时测量和图像的对比展示功能，使用力传感器记录缓慢拉动木块(图3)时力的变化,获得如图4所示的实验结果.展现了摩擦力在实验中的实时渐变过程，并清晰地展示了物块从静摩擦力到滑动摩擦力的过渡，使得最大静摩擦力变得“可视化”.

图4 用力传感器拉动木块时力的变化

类别3：基于传统实验设计巧妙,现象直观和重点突出等特点，可利用传统实验构建物理情境，定性地展示物理规律.

系列实例：在教学实践中，很多传统实验的使用能较好地为学生搭建物理情境，构建知识，或将系列抽象的规律直观地展现出来，诸如，此类的经典传统物理实验还有很多，例如“水流星”实验(图5)、曲线运动速度方向演示实验(图6)、碰撞(图7)、共振实验(图8)、耦合摆(图9)等.

图5 “水流星”实验

图6 曲线运动速度方向演示

图7 碰撞

图8 共实验实验 图9 耦合摆

诸多经典的传统实验，在设计的巧妙性和趣味性上都是独具优势的.从实验教学功能的理念层面上来看，这些实验非常符合学生的认知特点；在学生能力培养的层面上，经典的传统实验仪器和过程，能够很好地激发学生的创新意识并提高其创造能力；从教学实践层面上而言，很多传统实验能创造情境，激发兴趣，并直观地突出研究元素.

类别4：在数字化实验出现前，利用传统实验手段也能较为精确地测量一些物理量.对于这一类别的实验，更要基于两种实验形式的功能特点，结合实验的教学目标进行选择.此处以加速度的测量为例展开说明.

(1)实验设备的比较如图10,11所示.

图10 打点计时器研究匀变速运动加速度

图11 DIS研究匀变速运动加速度

(2)所测得数据的比较如图12和表1第1～5列所示.

图12 打点计时器所测得的数据

数据序号t1/st2/st12/sd/mv1/(m·s-1)v2/(m·s-1)a/(m·s-2)10.063060.035250.741960.0300.47570.85110.506020.066740.035830.766010.0300.44950.83730.506330.075370.036990.817910.0300.39800.81100.504940.080700.037580.847060.0300.37170.79830.503650.063110.035250.742080.0300.47540.85110.506360.055490.036100.575390.0300.54060.83100.504770.052170.035130.551420.0300.57500.85400.506080.064200.038160.632070.0300.46730.78620.504590.073550.039870.685430.0300.40790.75240.5026100.083190.041170.733300.0300.36060.72870.5020

(3)处理结果的比较如图13和表1第6～8列所示.

图13

(4)教学功能特点的比较如下.

打点计时器所达成的教学效果:

1)能有效锻炼操作、计算、作图等基础能力.

2)实验原理和操作过程清晰、明确.

3)能更好地体验加速度的获得过程.

4)能感受到实验中误差的存在和真实性.

5)能有效地锻炼Δs=aT2的应用.

6)能巩固练习“中间时刻的速度与平均速度”的规律.

7)便于学生直观感受相同时间内a与位移的变化量的关系.

8)过程繁琐，花费时间较多.

DIS实验所达成的教学效果:

1)能较精确、快速地获得加速度，为课堂其他环节赢得时间.

2)体会计算机技术在物理规律探究中的应用.

3)实验的软、硬件系统复杂，超出学生认知水平，部分学生对结果的获得会存有疑虑.

4)实验系统的智能性弱化了基础能力的培养，可能造成部分学生对计算机的过度依赖.

情形1：若此节课的教学目标是认识和测量加速度，并希望在实验过程中培养学生利用已有知识解决问题的能力，锻炼学生计算、作图等基础能力，那么,结合两种实验形式所达成的教学功能的特点，应选择传统实验展开实验.

情形2：若实验中的加速度仅作为一个用于比较的物理量，例如“探究加速度、质量与力之间的关系”实验中，希望尽可能快捷、精确地获得加速度，从而将课堂重心放在三者关系的探究上，那么，无疑要选择数字化实验.

综合而言，在知识构建方面，传统实验在诸多物理规律的定性展示和探究方面见长，而DIS在物理量的定量测量、动态的过程分析方面有着不可替代的优势.在能力培养方面，DIS将新技术元素融合于物理实验课堂，改变了课堂时间的分配结构，为学生探究、质疑能力的养成赢得了更多的时间，不过在教学实践中，由于受到很多因素的影响，这些能力培养的实效性还差强人意，而传统实验能够有效地提高学生计算、作图、归纳等一些重要的基础能力.在情感态度与价值观方面，DIS融合了计算机、传感器等当代较为先进的科技元素，加强了物理课堂与科技社会的联系，而传统实验却更为本真地保留了物理规律获得的探索历程.

不论是传统实验还是数字化实验都各有优势和不足，在教学实践中绝不能将其置于两个对立面.只有基于两种实验各自的特点，紧扣实验的教学目标,充分认识并开发这两类实验的教学功能，协调互补，才能更为有效地实现教学目标.

参考文献

1 孙素娟.高中物理传统实验教学方法的改进:[学位论文].上海：上海师范大学，2009